機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)1377陶瓷墻地磚分檢機(jī)械手運(yùn)動(dòng)及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).pdf

陶瓷墻地磚分檢機(jī)械手運(yùn)動(dòng)及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)聶陶蓀 1 , 程洪濤 1 , 梁 剛 2 , 田 鋒 1 , 黃金源 1Movement and Control System Design of the Ceramic Tile Categorizing MantpulatorNIE Tao2sun1 , CHENG Hong2tao1 , LIANG Gang2 , TIAN Feng1 , HUANGJin2yuan1(1. 景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院 , 江西省景德鎮(zhèn) 333001 ; 2.景德鎮(zhèn)高等?？茖W(xué)校 , 江西省景德鎮(zhèn) 333000)摘要 :對(duì)陶瓷墻地磚全自動(dòng)檢測(cè)生產(chǎn)線的均布三臂回轉(zhuǎn)式分檢機(jī)械手進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其機(jī)座的回轉(zhuǎn)及手臂的升降等運(yùn)動(dòng)采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng) ,手腕采用具有斷電保護(hù)的真空吸盤(pán)吸附方式 ,控制運(yùn)動(dòng)的PLC系統(tǒng)采用了先進(jìn)的模塊化設(shè)計(jì) ,具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)和易于操控的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞 :陶瓷墻地磚 ; 分檢機(jī)械手 ; 控制系統(tǒng) ; 可編程控制器中圖分類號(hào) :TB21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :B 文章編號(hào) :100024858 (2007) 05200652031 前言針對(duì)我國(guó)陶瓷墻地磚行業(yè)的迅速發(fā)展而檢測(cè)技術(shù)卻仍停留在人工隨機(jī)抽檢的現(xiàn)狀 ,文獻(xiàn) 1 提出了基于光纖傳感器的墻地磚自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) ,該技術(shù)可以避免漏檢 ,保證檢測(cè)質(zhì)量且實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分級(jí)碼垛。該檢測(cè)生產(chǎn)線中對(duì)被檢測(cè)后的墻地磚進(jìn)行分級(jí)碼垛的機(jī)械手目前在國(guó)內(nèi)尚無(wú)現(xiàn)成的產(chǎn)品。因而為實(shí)現(xiàn)該檢測(cè)生產(chǎn)線的功能 ,研制一種適用的分檢碼垛機(jī)械手是完全必要的。本文主要針對(duì)均布三臂回轉(zhuǎn)式分檢機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。2 檢測(cè)生產(chǎn)線工作原理該檢測(cè)生產(chǎn)線采用反射式光纖傳感器作測(cè)量頭 ,對(duì)墻地磚表面進(jìn)行多點(diǎn)檢測(cè)。其工藝流程為 :墻地磚由輸送帶輸送 ,當(dāng)墻地磚到達(dá)正確的檢測(cè)位置時(shí) ,被光眼檢測(cè)到 ,控制系統(tǒng)啟動(dòng)傳感器對(duì)墻地磚進(jìn)行測(cè)量 ,測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理 ,并按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 5 分為優(yōu)、合格、不合格 3 個(gè)等級(jí)。根據(jù)處理結(jié)果 ,中央控制器控制分檢機(jī)械手將不同等級(jí)的墻地磚輸送至不同的方向 ,最后由碼垛機(jī)將各等級(jí)墻地磚分別收集碼垛。該檢測(cè)生產(chǎn)線示意圖見(jiàn)圖 1。圖 1 檢測(cè)生產(chǎn)線示意圖該機(jī)械手采取均布回轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu) ,從而保證了機(jī)械手隨時(shí)都有一手臂處于生產(chǎn)線取磚的位置。墻地磚按所檢測(cè)的結(jié)果分為 3 個(gè)不同等級(jí)分別輸送堆放在 3 個(gè)碼垛位置 ,優(yōu)等品有輸送線送至碼垛 1 ,機(jī)械手不動(dòng)作 ;合格品與不合格品分別有機(jī)械手取至碼垛位置 2 ,碼垛位置 3。3 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3. 1 氣動(dòng)回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用均布三臂回轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu) ,其機(jī)械手的主要?jiǎng)幼鳉w納為手臂的升降、吸盤(pán)的吸附與松開(kāi)、機(jī)座的旋轉(zhuǎn) ,這 3 個(gè)動(dòng)作分別由升降氣缸、吸盤(pán)和雙作用氣缸來(lái)完成 ;其次 ,采用換向閥來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的交替變化。氣動(dòng)回路系統(tǒng)原理圖如圖 2 所示。收稿日期 :2006210213作者簡(jiǎn)介 :聶陶蓀 (1946 ) ,男 ,江西南昌人 ,教授 ,主要從事機(jī)電一體化方面的研究與教學(xué)工作。真空吸盤(pán)的吸附動(dòng)作由真空發(fā)生器和二位二通閥控制 ,升降手臂由三位四通閥控制 ,機(jī)座旋轉(zhuǎn)通過(guò)雙作用氣缸的動(dòng)作由三位四通閥控制 ,整個(gè)回路都采用行程開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。氣源經(jīng)空氣過(guò)濾器、減壓閥處理后 ,通過(guò)相應(yīng)的電磁換向閥進(jìn)入各個(gè)氣動(dòng)執(zhí)行元件。電磁換向閥 2YA、 4YA、 6YA 通電時(shí)機(jī)械手手臂下降 ,吸盤(pán)對(duì)墻地磚進(jìn)行吸附動(dòng)作 ;電磁閥 1YA、 3YA、 5YA 在機(jī)械手完成吸附動(dòng)作后通電 ,機(jī)械手手臂上升。此時(shí)根據(jù)所吸附的墻地磚被檢測(cè)出的等級(jí) (合格或者不合格 ) ,對(duì)合格品電磁閥 10YA 通電手臂左轉(zhuǎn)到達(dá)其碼垛位子 ,對(duì)不合格品電磁閥 11YA 通電手臂右轉(zhuǎn)到達(dá)其碼垛位子。然后電磁閥 2YA、 4YA、 6YA 通電手臂下562007 年第 5 期 液壓與氣動(dòng)降 ,最后電磁換向閥 7YA、 8YA、 9YA 通電 ,吸盤(pán)內(nèi)被注入 空氣真空杯破壞從而釋放墻地磚。需要說(shuō)明的是 1次分選只有 1 支手臂動(dòng)作 ,其余手臂上的電磁換向閥不通電 ,手臂只有旋轉(zhuǎn)動(dòng)作而沒(méi)有升降動(dòng)作。圖 2 氣動(dòng)回路系統(tǒng)原理圖3. 2 機(jī)械手腕部氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)其工作原理如圖 3 所示。在該機(jī)械手系統(tǒng)中 ,其具體的執(zhí)行部分就是機(jī)械手的腕部 ,設(shè)計(jì)中考慮到所分選的工件是墻地磚 ,因而選用氣吸式手腕 ,采用真空吸盤(pán)吸附墻地磚。當(dāng)供氣閥 12 電磁鐵通電時(shí) ,供氣閥氣路導(dǎo)通。凈化后的壓縮空氣經(jīng)供氣閥 12、真空發(fā)生器 13、消聲器 14 向外噴射。因真空發(fā)生器的最小噴管喉部直徑很小 ,故設(shè)置了冷凍式干燥器 2和空氣過(guò)濾器 3 進(jìn)行除水、除油、除塵 ,以保證空氣凈化度。當(dāng)真空破壞閥 5 通電時(shí) , 壓縮空氣經(jīng)真空破壞閥 5、節(jié)流閥 6 進(jìn)入吸盤(pán) ,從而破壞了吸盤(pán)內(nèi)的真空狀態(tài) ,使工件脫離吸盤(pán)。真空系統(tǒng)中的節(jié)流閥 6用于控制真空破壞的快慢 ,節(jié)流閥出口的壓力不得高于 0. 5 MPa ,以保護(hù)真空壓力開(kāi)關(guān) 7 和過(guò)濾器 8。圖中真空壓力開(kāi)關(guān) 7 用于檢測(cè)真空壓力的大小。當(dāng)真空壓力未達(dá)到設(shè)定值時(shí) ,開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài) ;當(dāng)真空壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí) ,開(kāi)關(guān)處于接通狀態(tài) ,發(fā)出電信號(hào)指揮真空吸附機(jī)構(gòu)動(dòng)作。若真空系統(tǒng)有泄漏 ,或其他原因影響到真空壓力大小時(shí) ,裝上真空壓力開(kāi)關(guān)可保證真空系統(tǒng)安全可靠工作 ,以避免吸著不穩(wěn)定。單向閥 15 的作用 :一是當(dāng)供氣閥 12 停止供氣時(shí) ,保持吸盤(pán)內(nèi)的真空壓力不變 ,可節(jié)省能量 ;二是一旦停電 ,可延緩吸吊工件脫落的時(shí)間 ,以便采取安全對(duì)策即斷電保護(hù)。真空發(fā)生器的排氣口安裝有消聲器 ,不僅可以降低噪聲 ,而且能起過(guò)濾作用 ,以提高真空系統(tǒng)工作的可靠性。1.氣源 2.冷凍式干燥器 3.空氣過(guò)濾器 4.減壓閥 5.真空破壞閥6.節(jié)流閥 7.真空壓力開(kāi)關(guān) 8.過(guò)濾器 9.真空表 10.真空吸盤(pán)11.被吸吊物 12.供氣閥 13.真空發(fā)生器 14.消聲器 15.單向閥圖 3 真空吸附原理圖3. 3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)通常 ,機(jī)械手控制系統(tǒng)主要采用以下 3 種方式 :一是繼電器控制系統(tǒng) ;二是 PLC 控制系統(tǒng) ;三是微機(jī)控制系統(tǒng)。繼電器控制系統(tǒng)由于故障率高、控制方式不靈活及功率消耗大等缺點(diǎn) ,目前已逐漸被人們所淘汰 ;微機(jī)控制系統(tǒng)雖然在智能控制方面有較強(qiáng)大的功能 ,但也存在一定的不足之處 ,即抗干擾性差 ,一般維修人員難以掌握其維修技術(shù) ;而 PLC 控制系統(tǒng)是目前在機(jī)械手控制系統(tǒng)中使用最廣泛的控制方式 ,由于其運(yùn)行可靠、使用維修方便、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)越性 ,以及具有功能完備、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn) ,本機(jī)械手控制系統(tǒng)采用這種控制方式。為了保證機(jī)械手能夠準(zhǔn)確取磚 ,手臂上裝有接近開(kāi)關(guān) ,當(dāng)接近開(kāi)關(guān)感應(yīng)到墻地磚時(shí) ,向 PLC提供信號(hào)再由 PLC 根據(jù)檢測(cè)信號(hào)發(fā)出機(jī)械手的動(dòng)作命令指引機(jī)械手的動(dòng)作。機(jī)械手的工作流程圖如圖 4所示。在上位機(jī)的不同信號(hào)下 ,機(jī)械手做出不同的動(dòng)作 ,簡(jiǎn)而言之就是機(jī)械手對(duì)優(yōu)等品無(wú)動(dòng)作 ,對(duì)合格品取磚后左轉(zhuǎn) 120 ,對(duì)不合格品右轉(zhuǎn) 120 ,到達(dá)指定位置卸磚同時(shí)離合器動(dòng)作 ,下主軸迅速歸位準(zhǔn)備下一次動(dòng)作。根據(jù)機(jī)械手的功能要求 ,機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成單級(jí)式以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手驅(qū)動(dòng)器件的控制。根據(jù)工藝要求、控制功能等綜合考慮 ,本系統(tǒng)選用某公司 3. 5 FX2N248MR 微型 PLC ,其輸入點(diǎn)為 24 點(diǎn) ,該系統(tǒng)除了開(kāi)關(guān)量的輸入、輸出外 ,沒(méi)有其他方面的要求。根據(jù)機(jī)械手的氣動(dòng)系統(tǒng)原理及電磁鐵的動(dòng)作表可以確定輸入點(diǎn)數(shù)為 11個(gè) ,其中行程開(kāi)關(guān) 9個(gè) ,接近開(kāi)關(guān) 1個(gè) ,操作66 液壓與氣動(dòng) 2007 年第 5 期圖 4 機(jī)械手工作流程按鈕 1 個(gè) ;輸出點(diǎn)數(shù)為 14 個(gè) ,其中電磁鐵 11 個(gè) ,電源指示燈 1 個(gè) ,機(jī)械手手臂原限位指示燈 2 個(gè)。 PLC 控制系統(tǒng)的賦值如表 1 所示。表 1 PLC控制系統(tǒng)的賦值表操作數(shù) 符號(hào)標(biāo)志 注釋10. 0 1YA 手臂原位 a010. 1 2YA 手臂限位 a110. 2 3YA 手臂原位 b010. 3 4YA 手臂限位 b110. 4 5YA 手臂原位 c010. 5 6YA 手臂限位 c110. 6 SQ 接近開(kāi)關(guān)11. 0 7YA 上位機(jī)信號(hào) 1操作數(shù) 符號(hào)標(biāo)志 注釋11. 1 8YA 上位機(jī)信號(hào) 211. 2 9YA 上位機(jī)信號(hào) 312. 0 SP 雙作用缸原位 d012. 1 10YA 雙作用缸限位 d112. 3 11YA 雙作用缸限位 d2Q4. 0 LEI 電源指示燈Q4. 1 LE2 手臂原位指示燈Q4. 2 LE3 手臂限位指示燈為增強(qiáng)本程序的可讀性及簡(jiǎn)化程序 ,整個(gè)軟件系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu) ,以方便指令中的 IST 狀態(tài)初始化指令來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)?？傑浖到y(tǒng)包括初始化電路、故障報(bào)警程序、點(diǎn)動(dòng)操作程序、歸位程序及自動(dòng)操作程序五大模塊構(gòu)成 ,分別解決單個(gè)問(wèn)題 ,然后再進(jìn)行綜合。其系統(tǒng)模塊圖如圖 5。其中歸位程序是機(jī)械手在工作中突然斷電后來(lái)點(diǎn)按下歸位按鈕可以使機(jī)械手自動(dòng)返回原點(diǎn)。圖 5 系統(tǒng)模塊圖4 結(jié)論機(jī)械手則是接受來(lái)自檢測(cè)生產(chǎn)線中央控制器的分選信息實(shí)現(xiàn)不同級(jí)別產(chǎn)品碼垛的搬運(yùn)設(shè)備。其總體設(shè)計(jì)是采用由 PLC 控制器控制的氣動(dòng)回轉(zhuǎn)式均布三臂機(jī)械手 ,執(zhí)行系統(tǒng)采用具有斷電保護(hù)的真空吸盤(pán)的吸附方式 ,機(jī)械手在結(jié)構(gòu)上可以完成墻地磚的吸附、搬運(yùn)、碼垛的工作 ,具有效率高、工作可靠、新穎的特點(diǎn)。該機(jī)械手在墻地磚分檢生產(chǎn)線上的應(yīng)用可以保證工作的連續(xù)性并提高生產(chǎn)效率?？删幊炭刂破髯鳛檫\(yùn)動(dòng)控制 ,PLC控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì) ,把整個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)按各自的功能分成多個(gè)互相獨(dú)立的模塊 ,每個(gè)模塊都有特定的功能 ,有自己的信息入口和信息出口 ,可在不必了解模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)就能方便的應(yīng)用。具有體積小、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。參考文獻(xiàn) :1 聶陶蓀 ,等 . 墻地磚表面平整度自動(dòng)連續(xù)檢測(cè)技術(shù) J .北京 :中國(guó)陶瓷工業(yè) ,2004(2) .2 SMC(中國(guó) )有限公司 . 現(xiàn)代實(shí)用氣動(dòng)技術(shù) M.北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 ,1998.3 田玲 . 氣動(dòng)組合臺(tái)真空吸附機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì) J .真空 ,2001 (5) .4 袁任光 . 可編程序控制器應(yīng)用技術(shù)與實(shí)例 M.廣州 :華南理工大學(xué)出版社 ,2003.5 CB/ T3810. 2 - 1999 ,陶瓷試驗(yàn)方法 :第三部分 :尺寸和表面質(zhì)量的檢驗(yàn) S.6 CB/ T4100. 1 - 1999 ,干壓陶瓷磚 S.7 Cristina E. Costa , Maria Petrou. Automatic registration of ce2ramic tiles for the purpose of fault detectionJ . Machine Visionand Applications , 2000 ,11(5) .(上接第 64 頁(yè) )不給動(dòng)作時(shí) ,液壓缸上腔油管也有壓力 ,因此我初步判定 :做上一工作循環(huán)的最后一個(gè)動(dòng)作落鉤時(shí) ,落鉤換向閥閥